光電編碼器的原理與應(yīng)用

1、光電編碼器的原理與應(yīng)用 姜義（威海職業(yè)學(xué)院， 264210）摘要：位置檢測(cè)裝置作為數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其作用是檢測(cè)位移量，并發(fā)出反饋信號(hào)。在現(xiàn)代數(shù)控伺服系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于角位移或角速率的測(cè)量。目前生產(chǎn)和使用的數(shù)控機(jī)床大多采用的是半閉環(huán)控制方式。關(guān)鍵詞：光電編碼器；角位移；脈沖；傳感器中圖分類號(hào)：TP212.12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1004-0420(2010)02-0025-040引言光電編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式位置傳感器，在現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于角位移或角速率的測(cè)量，它的轉(zhuǎn)軸通常與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸連接，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。它能將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼或一串脈沖。光電編碼器分為絕對(duì)式和增量式

2、兩種類型。增量式光電編碼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用更為廣泛。在高分辨率和大量程角速率位移測(cè)量系統(tǒng)中，增量式光電編碼器更具優(yōu)越性。絕對(duì)式編碼器能直接給出對(duì)應(yīng)于每個(gè)轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計(jì)算機(jī)處理，但當(dāng)進(jìn)給數(shù)大于一轉(zhuǎn)時(shí)，須作特別處理，而且必須用減速齒輪將兩個(gè)以上的編碼器連接起來(lái)，組成多級(jí)檢測(cè)裝置，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。1增量式編碼器1.1增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)增量式編碼器是指隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤給出一系列脈沖，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計(jì)數(shù)器對(duì)這些脈沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，以此來(lái)表示轉(zhuǎn)過的角位移量。增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1增量式光電碼盤結(jié)構(gòu)示意圖光電碼盤與

3、轉(zhuǎn)軸連在一起。碼盤可用玻璃材料制成，表面鍍上一層不透光的金屬鉻，然后在邊緣制成向心的透光狹縫。透光狹縫在碼盤圓周上等分，數(shù)量從幾百條到幾千條不等。這樣，整個(gè)碼盤圓周上就被等分成n個(gè)透光的槽。增量式光電碼盤也可用不銹鋼薄板制成，然后在圓周邊緣切割出均勻分布的透光槽。1.2增量式編碼器的工作原理增量式編碼器的工作原理如圖2所示。它由主碼盤、鑒向盤、光學(xué)系統(tǒng)和光電變換器組成。在圖形的主碼盤（光電盤）周邊上刻有節(jié)距相等的輻射狀窄縫，形成均勻分布的透明區(qū)和不透明區(qū)。鑒向盤與主碼盤平行，并刻有a、b兩組透明檢測(cè)窄縫，它們彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距，以使A、B兩個(gè)光電變換器的輸出信號(hào)在相位上相差90°。工

4、作時(shí)，鑒向盤靜止不動(dòng)，主碼盤與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，光源發(fā)出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當(dāng)主碼盤上的不透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對(duì)齊時(shí)，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為最?。划?dāng)主碼盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對(duì)齊時(shí)，光線全部通過，光電變換器輸出電壓為最大。主碼盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)刻線周期，光電變換器將輸出一個(gè)近似的正弦波電壓，且光電變換器A、B的輸出電壓相位差為90°。圖2增量式編碼器工作原理 圖3光電編碼器的輸出波形光電編碼器的光源最常用的是自身有聚光效果的發(fā)光二極管。當(dāng)光電碼盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光線透過光電碼盤和光欄板狹縫，形成忽明忽暗的光信號(hào)。光敏元件把此光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信

5、號(hào)，通過信號(hào)處理電路后，向數(shù)控系統(tǒng)輸出脈沖信號(hào)，也可由數(shù)碼管直接顯示位移量。光電編碼器的測(cè)量準(zhǔn)確度與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n有關(guān)，能分辨的角度為：=360°/n（1）分辨率=1/n（2）例如：碼盤邊緣的透光槽數(shù)為1 024個(gè)，則能分辨的最小角度=360°/1 024=0.352°。為了判斷碼盤旋轉(zhuǎn)的方向，必須在光欄板上設(shè)置兩個(gè)狹縫，其距離是碼盤上的兩個(gè)狹縫距離的（m+1/4）倍，m為正整數(shù)，并設(shè)置了兩組對(duì)應(yīng)的光敏元件，如圖1中的A、B光敏元件，有時(shí)也稱為cos、sin元件。當(dāng)檢測(cè)對(duì)象旋轉(zhuǎn)時(shí)，同軸或關(guān)聯(lián)安裝的光電編碼器便會(huì)輸出A、B兩路相位相差90°的數(shù)字

6、脈沖信號(hào)。光電編碼器的輸出波形如圖3所示。為了得到碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置，還須設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖1中的“零位標(biāo)志槽”。碼盤每轉(zhuǎn)一圈，零位標(biāo)志槽對(duì)應(yīng)的光敏元件產(chǎn)生一個(gè)脈沖，稱為“一轉(zhuǎn)脈沖”，見圖3中的C0脈沖。圖4給出了編碼器正反轉(zhuǎn)時(shí)A、B信號(hào)的波形及其時(shí)序關(guān)系，當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)A信號(hào)的相位超前B信號(hào)90°，如圖4(a)所示；反轉(zhuǎn)時(shí)則B信號(hào)相位超前A信號(hào)90°，如圖4(b)所示。A和B輸出的脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)角位移變化量成線性關(guān)系，因此，通過對(duì)脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)就能計(jì)算出相應(yīng)的角位移。根據(jù)A和B之間的這種關(guān)系正確地解調(diào)出被測(cè)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角位移/速率，就是所謂的脈沖辨向和計(jì)數(shù)。脈沖的

7、辨向和計(jì)數(shù)既可用軟件實(shí)現(xiàn)也可用硬件實(shí)現(xiàn)。圖4光電編碼器的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)波形2絕對(duì)式編碼器絕對(duì)式編碼器是把被測(cè)轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測(cè)元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。光電式碼盤是目前應(yīng)用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進(jìn)制編碼。圖5所示為四位二進(jìn)制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進(jìn)制的數(shù)字碼道，在同一個(gè)碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼。黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的“0”和“1”。在一個(gè)四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，每一個(gè)碼道表示二進(jìn)制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360°范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個(gè)。工作時(shí)

8、，碼盤的一側(cè)放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個(gè)碼道都對(duì)應(yīng)有一個(gè)光電管及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號(hào)，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)碼電信號(hào)。但由于制造和安裝精度的影響，當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)在兩碼段交替過程中，會(huì)產(chǎn)生讀數(shù)誤差。例如，當(dāng)碼盤順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，由位置“0111”變?yōu)椤?000”時(shí)，這四位數(shù)要同時(shí)都變化，可能將數(shù)碼誤讀成16種代碼中的任意一種，如讀成1111、1011、1101、0001等，產(chǎn)生了無(wú)法估計(jì)的很大的數(shù)值誤差，這種誤差稱非單值性誤差。為了消除非單值性誤差，可采用以下的方法。2.1循環(huán)碼盤（或稱格雷碼盤）圖5四位二進(jìn)制的碼盤 圖6四位二進(jìn)制循環(huán)碼

9、盤循環(huán)碼習(xí)慣上又稱格雷碼，它也是一種二進(jìn)制編碼，只有“0”和“1”兩個(gè)數(shù)。圖6所示為四位二進(jìn)制循環(huán)碼。這種編碼的特點(diǎn)是任意相鄰的兩個(gè)代碼間只有一位代碼有變化，即“0”變?yōu)椤?”或“1”變?yōu)椤?”。因此，在兩數(shù)變換過程中，所產(chǎn)生的讀數(shù)誤差最多不超過“1”，只可能讀成相鄰兩個(gè)數(shù)中的一個(gè)數(shù)。所以，它是消除非單值性誤差的一種有效方法。2.2帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤這種碼盤是在四位二進(jìn)制循環(huán)碼盤的最外圈再增加一圈信號(hào)位。圖7所示就是帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤。該碼盤最外圈上的信號(hào)位的位置正好與狀態(tài)交線錯(cuò)開，只有當(dāng)信號(hào)位處的光電元件有信號(hào)時(shí)才讀數(shù)，這樣就不會(huì)產(chǎn)生非單值性誤差。圖7帶判位光電裝置的

10、二進(jìn)制循環(huán)碼盤3編碼器的應(yīng)用3.1角編碼器除了能直接測(cè)量角位移或間接測(cè)量直線位移外，還可以測(cè)量軸的轉(zhuǎn)速由于增量式角編碼器的輸出信號(hào)是脈沖形式，因此，可以通過測(cè)量脈沖頻率或周期的方法來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。角編碼器可代替測(cè)速發(fā)電機(jī)的模擬測(cè)速，而成為數(shù)字測(cè)速裝置。M法和T法測(cè)速原理如圖8所示。圖8 M法和T法測(cè)速原理在一定的時(shí)間間隔ts內(nèi)（又稱閘門時(shí)間，如10 s、1 s、0.1 s等），用角編碼器所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來(lái)確定速度的方法稱為M法測(cè)速。若角編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，在閘門時(shí)間間隔ts內(nèi)得到m1個(gè)脈沖，則角編碼器所產(chǎn)生的脈沖頻率f為：例如：某角編碼器的指標(biāo)為2 048個(gè)脈沖/r（即N2 048 P/r），在

11、0.2 s時(shí)間內(nèi)測(cè)得8 K脈沖（1 K=1 024），即ts=0.2 s，m1=8 K=8 192個(gè)脈沖，f4 096/0.2 s20 480 Hz，則：角編碼器軸的轉(zhuǎn)速為：M法測(cè)速主要應(yīng)用于要求轉(zhuǎn)速較快，否則計(jì)數(shù)值較少，測(cè)量準(zhǔn)確度較低。3.2工位編碼由于絕對(duì)式編碼器每一轉(zhuǎn)角位置均有一個(gè)固定的編碼輸出，若編碼器與轉(zhuǎn)盤同軸相連，則轉(zhuǎn)盤上每一工位安裝的被加工工件均可有一個(gè)編碼相對(duì)應(yīng)，轉(zhuǎn)盤工位編碼原理圖如圖9所示。當(dāng)轉(zhuǎn)盤上某一工位轉(zhuǎn)到加工點(diǎn)時(shí)，該工位對(duì)應(yīng)的編碼由編碼器輸出給控制系統(tǒng)。圖9轉(zhuǎn)盤工位編碼原理圖例如要使處于工位4上的工件轉(zhuǎn)到加工點(diǎn)等待鉆孔加工，計(jì)算機(jī)就控制電動(dòng)機(jī)通過帶輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

12、與此同時(shí)，絕對(duì)式編碼器（假設(shè)為4碼道）輸出的編碼不斷變化。設(shè)工位1的絕對(duì)二進(jìn)制碼為0000，當(dāng)輸出從工位3的0100，變?yōu)?110時(shí)，表示轉(zhuǎn)盤已將工位4轉(zhuǎn)到加工點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。3.3光電編碼器在重力測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，其轉(zhuǎn)軸與重力測(cè)量?jī)x中補(bǔ)償旋鈕軸相連。將重力測(cè)量?jī)x中補(bǔ)償旋鈕的角位移量轉(zhuǎn)化為某種電信號(hào)量進(jìn)行測(cè)量。3.4應(yīng)用實(shí)例以EPC-755A光電編碼器的應(yīng)用為例。該光電編碼器在角度測(cè)量、位移測(cè)量時(shí)抗干擾能力很強(qiáng)，并具有穩(wěn)定可靠的輸出脈沖信號(hào)，且該脈沖信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)后可得到被測(cè)量的數(shù)字信號(hào)。因此，在研制汽車駕駛模擬器時(shí)，對(duì)方向盤旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量選用EPC-755A光電編碼器作為傳感器

13、，其輸出電路選用集電極開路型，輸出分辨率選用360個(gè)脈沖/圈，考慮到汽車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)是雙向的，既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，需要對(duì)編碼器的輸出信號(hào)鑒相后才能計(jì)數(shù)。圖10所示為EPC-755A光電編碼器實(shí)際使用的鑒相與雙向計(jì)數(shù)電路，鑒相電路用1個(gè)D觸發(fā)器和2個(gè)與非門組成，計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成。圖10光電編碼器鑒相計(jì)數(shù)電路當(dāng)光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°，D觸發(fā)器輸出Q(波形W1)為高電平，(波形W2)為低電平，上面與非門打開，計(jì)數(shù)脈沖通過(波形W3)，送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193的加脈沖輸入端CU，進(jìn)行加法計(jì)數(shù)；此時(shí)，下面與非門關(guān)閉，其輸出為

14、高電平(波形W4)。當(dāng)光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°，D觸發(fā)器輸出Q(波形W1)為低電平，(波形W2)為高電平，上面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平(波形W3)；此時(shí)，下面與非門打開，計(jì)數(shù)脈沖通過(波形W4)，送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193的減脈沖輸入端CD，進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。汽車方向盤順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，其最大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用分辨率為360個(gè)脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖數(shù)為900個(gè)；實(shí)際使用的計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成，在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，先對(duì)其進(jìn)行復(fù)位(CLR信號(hào))，再將其初值設(shè)為800H，即2048(LD信號(hào))；如此，當(dāng)方向盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為2 0482 948，當(dāng)方向盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為2 0481 148；計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出D0D11送至數(shù)據(jù)處理電路。實(shí)際使用時(shí)，方向盤頻繁地進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由于存在量化誤差，工作較長(zhǎng)一段時(shí)間后，方向盤回中時(shí)計(jì)數(shù)電路輸出可能不是2 048，而是有幾個(gè)字的偏差；為解決這一問題，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)方向盤回中檢測(cè)電路，系統(tǒng)工作后，數(shù)據(jù)處理電路在模擬器處于非操作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)回中